ST MCU dedicated to motor control

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幅贾
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1 北京, 南京, 上海, 深圳, 杭州, 天津, 武汉, 西安, 成都, 哈尔滨大中华区 MCU 技术支持中心

2 可用于无刷马达控制的单片机 32 位 MCU: 基于 ARM Cortex-M3 内核及拥有丰富且强劲的外围, 可支持 FOC 控制 ( 矢量控制 ) 面向高端应用针对无刷马达控制的方案带传感器 / 无传感器交流感应马达 BLDC PMSM 马达无传感器方案的实现 Starter Kit 可在数周内实现演示和开发用户的项目 1

3 结构图高级定时器 TIM1 (1/12) ETR Clock ITR 1 ITR 2 ITR 3 ITR 4 Trigger/Clock Controller Trigger Output 16-Bit Prescaler Auto Reload REG +/- 16-Bit Counter CH1 CH2 CH3 CH4 BKIN Capture Compare Capture Compare Capture Compare Capture Compare CH1 CH1N CH2 CH2N CH3 CH3N CH4 4

4 时钟高级定时器 TIM1 (2/12) 最大可达 72MHz: 精度可达 13.8ns 边沿或中心对称模式更新倍频模式 ( 见下页 ) 可保证在中心对称模式下无精度损失由每个 PWM 周期的中断或 DMA 实现 5

5 高级定时器 TIM1 (3/12) 在 PWM 计数器上溢时产生更新事件可提高占空比精度 MCPU U 事件在上溢时产生 N N+1 U 事件在下溢时产生 U 事件在下溢时产生 Comp = N Comp = N + 1 Comp from N to N + 1 U 事件在下溢时产生一次 U 事件在上溢和下溢时产生两次 6

6 重复计数器高级定时器 TIM1 (4/12) PWM counter Double update REP=0 Single update OVF REP=1 Single update UDF REP=1 REP=2 REP=3 ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR ISR t t t t t 7

7 高级定时器 TIM1 (5/12) 中断 U 中断 (Update)--- 用于同步更新所有下列预装载寄存器 : 比较寄存器自动重载寄存器 PWM 时钟预分频器输出比较或输入捕捉中断触发器中断紧急故障中断 DMA TIM1_CH1, TIM1_CH2, TIM1_CH3, TIM1_CH4 TIM1_UPDATE TIM1_COM TIM1_TRIG 8

8 高级定时器 TIM1 (6/12) DMA burst 传输一次 DMA 事件允许更新多个寄存器的值, 有效的利用了 DMA RAM Registers OC1 t0 OC1 OC2 t0 OC2 OC3 t0 OC3 OC1 t1 OC2 t1 OC3 t1 Virtual Register OC1 t2 OC2 t2 OC3 t2 9

9 高级定时器 TIM1 (7/12) PWM 输出管理硬件死区发生器 :8 位寄存器, 精度最大可达 13.8ns( 时钟为 72MHZ),0~14us 可编程 ( 非线性 ) OC1REF CH1 5V 0V 5V 0V Internal PWM before dead time generator High side PWM CH1N Delay Delay 5V 0V Low side PWM 每个通道极性可选紧急故障输入关闭 6 个 PWM 输出并产生中断异步动作 10

10 高级定时器 TIM1 (8/12) 灵活的 PWM 端口设置 MOE OSSI OSSR CCxE CCxNE OCx 输出状态 OCxN 输出状态 1 X 控制位输出禁止 ( 与定时器断开 ) 输出禁止 ( 与定时器断开 ) 输出禁止 ( 与定时器断开 ) OCxREF + 极性 OCxREF + 极性输出禁止 ( 与定时器断开 ) OCxREF + 极性 + 死区 OCxREF 反相 + 极性 + 死区输出禁止 ( 与定时器断开 ) 输出禁止 ( 与定时器断开 ) 关闭状态 ( 输出使能且为无效电平 ) OCxREF + 极性 OCxREF + 极性 + 死区 X 输出状态 OCxREF + 极性关闭状态 ( 输出使能且为无效电平 ) OCxREF 反相 + 极性 + 死区输出禁止 ( 与定时器断开 ) 关闭状态 ( 输出使能且为无效电平 ) PWM timer used as a GP timer Motor Control (sinewave) Motor Control (6-steps) Motor Control (sinewave) Outputs disconnected from I/O ports All PWMs OFF (low Z for safe stop) 11

T1 T6 oc1ref 0 0 0 0 1 3 T3 T6 0 0 oc2ref 0 0 1 4 T3 T2 0 1 oc2ref 0

11 高级定时器 TIM1 (9/12) 例子 :6 步换相方法驱动 BLDC 马达 T1 T3 T5 T1 T2 T4 T6 T2 T3 Step High Low OC1 OC1N OC2 OC2N OC3 OC3N 1 T1 T4 oc1ref T1 T6 oc1ref T3 T6 0 0 oc2ref T3 T2 0 1 oc2ref T5 T oc3ref 0 6 T5 T oc3ref 0 T4 T5 T6 相电流 12

12 紧急故障输入高级定时器 TIM1 (10/12) 紧急故障输入可由下列事件产生 : 由 BRK 引脚输入 : 其极性可编程且由使能位使能时钟安全系统当紧急故障发生时 : MOE 被清零状态位置 1 并产生中断 PWM 输出通道的电平由 OISx 位决定紧急故障输入的应用若 AOE=1: MOE 位保持 0 直到软件重新置 1, 一般用于功率模块电路的保护若 AOE=0: MOE 位在下一个 U 事件重新置 1, 一般可用于电流调节 13

13 禁烟保护模式高级定时器 TIM1 (11/12) 安全级别高的寄存器能被上锁, 防止软件跑飞后对功率器件造成损坏包括 : 死区 PWM 输出极性紧急故障输入使能所有寄存器在上锁前可读 / 写, 上锁后只读 2 个上锁位一旦写值后就不能修改, 直到 MCU 复位 4 个上锁等级针对不同的应用提供了灵活性 GPIO 配置也能上锁, 以避免 PWM 功能端口被重新设为标准输出口 14

14 调试特性高级定时器 TIM1 (12/12) 针对马达控制此类应用, 断点调试须慎重对待标准断点会对功率器件造成损坏闭环系统不能在停止后在断点处继续专门有一个标志位用于配置当断点发生后 PWM 定时器的行为标准模式 : 定时器继续运行可能会对功率器件造成损坏, 因为此时固定的占空比被加到了功率器件上 ( 中断不会被执行 ) 安全模式 : 定时器停止运行,PWM 停住输出此时对功率器件是安全的, 且定时器可在断点处继续运行 15

15 速度和位置检测由通用定时器处理, 使用专门的模式这些功能在所有的通用定时器上都可实现 Hall 传感器 Hall 传感器接口为异或输入编码器编码器模式 1, 2 & 3 (2x, 4x) 测速发电机反馈输入捕捉模式检测周期 16

16 TIM 在编码器模式下的框图 CLK ITR1 ITR2 ITR3 ITR4 Trigger Controller Controller TRGx 16 bit Prescaler 16 bit AutoReload Register +/- 16-Bit Counter Encoder Interface TI1 Polarity Select & Edge Controller TI2 Polarity Select & Edge Controller 17

17 编码器与 STM32 接口举例 TIM 与编码器接口增量编码器可与 MCU 直接连接而无需外部接口电路编码器的第三个表示零位的输出 (Z 或 Index) 可连到外部中断口, 以此来触发定时器的计数器复位编码器模式下计数器的动作 forward reversal backward reversal forward IC 2 IC1 Up Down Up Counter 18

18 编码器的关键特性可编程的计数率 x4: 标准模式, 所有边沿有效 1000 线的编码器每转一周可发出 4000 个计数脉冲 x2: 只对 A 或 B 计数, 但仍可确定方向转速模式 : 对编码器计数时钟进行运算可编程的编码器精度当自动重载寄存器设为编码器每转一周可发出的计数脉冲时, 计数器就直接得到了转子位置或角度信号当自动重载寄存器设为 0xFFFF 时, 与使用自由运行定时器的设计相兼容编码器每转一周可发出一个或多个中断一个, 每 360 ; 多个, 每 60, 90, ( 依赖于自动重载寄存器的配置 ) 19

19 TIM 与 Hall 接口 TI1F_ED Trigger & Slave Mode Controller Hall A Hall B XOR Hall C Input Filter & Edge detector TRC IC1 Prescaler Capture/Compare 1 Register Input Filter & Edge detector TRC IC2 Prescaler Capture/Compare 2 Register Input Filter & Edge detector TRC IC3 Prescaler Capture/Compare 3 Register TI4 Input Filter & Edge detector TRC IC4 Prescaler Capture/Compare 4 Register 20

20 定时器同步配置 (1/3) 由于拥有触发输出及多个可选的触发输入,3 个通用定时器与 PWM 定时器能连接在一起串联或同步使用输入脚 TI1 及 TI2 也可用作触发器触发器输入 CK_TIM TRG1 TRG2 TRG3 TIM0 Trigger Controller TRGO TRG0 触发器输出 TI1 TI2 Timer control signals: clock, reset, update, enable, 21

21 定时器同步配置 (2/3) 配置为主模式时, 触发器输出可为 : 计数器复位计数器使能更新事件输出比较信号触发模式 Clock Master ARR Master CNT Master Trigger Out 当配置为从模式时, 定时器可工作在如下模式 : 触发模式门控模式复位模式外部时钟模式门控模式 Slave CNT Clock New Master OCR1 Master OCR1 Master CNT Master OC1 Slave CNT 22

22 定时器同步配置 (3/3) 举例 :BLDC 马达换相 : 一个通用定时器检测 Hall 位置, 触发 PWM 定时器换相主定时器 (TIM) Hall XOR TI1F _ED ITR 1 prescaler TIM2 Trigger Controller TRG 2 从定时器 (ADVANCED TIM) ITR3 TIM1 ITR4 ITR 3 counter Update ITR 2 ITR 4 prescaler counter 23

23 ADC 特性 (1/3) ADC 转换速度为 1MHZ, 精度为 12 位采样时间可编程 (1.5~239.5cy), 最小采样时间 :107ns ADC 输入范围 :0<=VIN<=VREF+ 18 个通道 16 个外部通道 2 个内部通道 : 温度传感器和参考电压中断 DMA --- 仅 ADC1 有转换通道编组常规转换组 : 最大 16 个通道注入转换组 : 最大 4 个通道 24

24 注入转换模式常规转换扫描模式注入转换扫描模式 First channel Conversion First channel Conversion First injected channel Conversion Second channel Conversion Trigger Second channel Conversion Second injected channel Conversion Last channel Conversion Last channel Conversion Last injected channel Conversion Interrupt 25

25 ADC WATCHDOG ADC 特性 (2/3) 基于定序器的扫描模式 : 任意通道, 任意次序最大 16 个通道的常规转换 ( 结果由 DMA 存储 ) 最大 4 个通道的注入转换 ( 结果相应寄存器存储 ) 多触发源每个组可被来自定时器的 6 个事件触发可由外部事件和软件触发 26

26 ADC 特性 (3/3) 转换数据可向左或向右对齐 4 个偏移补偿寄存器补偿外部电路的偏移, 如运放如需要可提供带符号值每个通道可单独编程采样时间, 可以采样不同输入阻抗的信号从 1.5cy(Rin<1.2K) 到 239.5cy(Rin<350K), 共 8 个值当采样率为 1MSps 时, 可不用电压跟随器 27

27 VREF+ ADC 框图 VREF- VDDA VSSA ADCCLK ADC Prescalers: Div2, Div4, Div6 and Div8 PCLK2 ADC_IN0 ADC_IN1... ADC_IN15 GPIO Ports Temp Sensor ANALOG MUX Up to 4 Up to 16 ADC Injected Channels Regular Channels Regular data register (12bits) Injected data registers (4x12bits) DMA Request Address/data bus VREFINT Analog Watchdog End of conversion End of injected conversion TIM1_TRGO TIM1_CC4 TIM1_TRGO TIM2_CC1 Start Trigger (injected group) High Threshold register (12bits) Analog watchdog event Ext_IT_15 TIM3_CC4 TIM4_TRGO TIM1_CC1 JEXTRIG bit JEXTSEL[2:0] bits Low Threshold register (12bits) AWD EOC JEOC AWDIE EOCIE JEOCIE Flags Interrupt enable bits TIM1_CC2 TIM1_CC3 TIM2_CC2 Start Trigger (regular group) Ext_IT_11 TIM3_TRGO TIM4_CC4 EXTSEL[2:0] bits EXTRIG bit ADC interrupt to NVIC 28

28 ADC 双模式 (1/2) 只能在拥有 2 个 ADC 的 MCU 中实现 ADC1 和 ADC2 可分别单独使用或耦合在一起使用 ( 分主 / 从 ) 8 个 ADC 双模式 VREFINT ADC_IN15 ADC_IN1ADC_IN0 GPIO Ports ANALOG MUX Up to 4 injected channels Up to 16 regular channels External event (Regular group) ADC1 Analog External event sync ADC2 Analog External event (Injected group) Digital Master Data register Digital Slave EOC/JEOC 29

29 ADC 双模式 (2/2) Injected simultaneous mode on 4 injected channels Sampling ADC2 CH0 CH1 CH2 CH3 Conversion ADC1 CH15 CH13 CH1 CH2 Trigger for injected channels End of Injected Conversion on ADC1 and ADC2 Fast Interleaved mode on 1 regular channel in continuous conversion mode ADC2 ADC1 Trigger for regular channels CH0 7 ADCCLK cycles CH0 CH0 CH0 CH0 CH0 Up to 2 MSps data throughput (DMA-based) 30

30 隔行扫描模式下的 DMA 传输隔行扫描模式 : 两 ADC 连续对同一通道采样 16-bit ADC1 Data2 Ctrl Status Data1 32-bit DMA transfer RAM Data2 Data1 Aliased Ctrl Data2 Data2 Data1 Data1 ADC2 Status Data2 1 次 DMA 传输 2 个数据 31

31 STM32 如何实现 ADC 同步 PWM 定时器中的同步单元可实现 ADC 同步可有 2 个选择 : 直接由 PWM 定时器计数器的峰顶谷底或两者中的任一个同步由 PWM 定时器的第 4 个输出比较产生的延时同步 ADC 的结果可由转换完成中断处理或由 DMA 存储 32

32 直接同步 PWM 定时器的 U 事件触发两个 ADC, 使其工作在注入同时转换模式下由于连续采样相电流, 不会产生误差 MASTER CLOC K prescaler counter Update PWM Trigger Controller TRG 0 Injection trigger ADC1&2 33

33 STM32 演示套件三相半桥功率驱动板,3 电阻法读取相电流完整的软件库可驱动 PMSM 或 AC 马达该套件包含一个带编码器和 Hall 传感器的 PMSM 马达 34

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STM32 for sensorless vector control

STM32 for sensorless vector control STM32 PMSM FOC Shanghai, March,2008 Agenda STM32 FOC Clark Parke Circle limitation Mar 08 1 Agenda / Hall PMSM PLL MC_State_observer_param.h Mar 08 2 Agenda MC_Control_param.h / PI Mar 08 3 Plan STM32